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实验与探究
实验设计与分析 学案
【考点梳理】
典例1
下列有关科学史中研究材料、方法及结论的叙述，错误的是( )
A.孟德尔以豌豆为研究材料发现了基因的分离和自由组合定律
B.摩尔根以果蝇为研究材料证明了基因位于染色体上
C.沃森和克里克以DNA大分子为研究材料破译了全部密码子
D.科学家以噬菌体为研究材料证明DNA是噬菌体的遗传物质
答案：C
解析：A.孟德尔以豌豆为研究材料，采用杂交、自交等方法，发现了基因的分离和自由组合定律， A正确； B.摩尔根以果绳为研究材料，统计分析后代眼色分离比，证明了基因位于染色体上，B正确； C.沃森和克里克通过构建物理模型的方法构建了DNA双螺旋结构模型，C错误； D.赫尔希与蔡斯以噬菌体为研究材料，利用同位素示踪技术，证明DNA是噬菌体的遗传物质，D正确。故选：C。
考点链接
教材中的科学史实验
1.施莱登和施旺利用显微镜通过观察动植物细胞从而建立了细胞学说。
2.欧文顿通过对植物细胞的通透性进行硏究，发现细胞膜对不同物质的通透性不同，凡是可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞，提出膜是由脂质组成的。
3.罗伯特森通过电镜观察提出了生物膜的模型，即生物膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成。
4.桑格和尼克森提出了细胞膜的流动镶嵌模型。
5.普利斯特利通过实验发现植物能更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气。
6.英格豪斯通过实验证明只有在光照条件下，植物体只有绿叶能更新污浊的空气。
7.梅耶根据能量转化与守恒定律，指出植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。
8.萨克斯通过半叶遮光实验饥饿处理后一半遮光一半曝光证明光合作用的产物除氧气外还有淀粉。
9.鲁宾和卡门利用同位素标记法（用180标记H2O和CO2）行探究，证明光合作用产生的氧气来自水。
10.卡尔文用同位素标记示踪法（用14C标记CO2）探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，即卡尔文循环11.孟德尔通过豌豆杂交实验，并利用假说—演绎法提出了遗传学两大定律。
12.萨顿用蝗虫细胞作材料，研究精子和卵细胞的形成过程时，通过类比推理法得出基因位于染色体上的假说。
13.摩尔根运用假说—演绎法通过果蝇杂交实验证明基因位于染色体上。
14.格里菲思通过肺炎双球菌体内转化实验推测S型细菌中存在着转化因子。
15.艾弗里利用肺炎双球菌体外转化实验（对S型细菌中的物质进行分离提纯分别进行实验）
说明转化因子是DNA，DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
16.赫尔希和蔡斯利用放射性同位素标记法（用35S和32P分别标记噬菌体的蛋白质和DNA）
证明DNA是真正的遗传物质。
17.克里克和沃森通过构建模型法提岀了DNA的双螺旋结构。
18.贝利斯与斯他林提出假设并通过实验发现了小肠黏膜分泌的促胰液素和激素调节。
19.达尔文以胚芽鞘为材料，发现单侧光照射能使胚芽鞘的尖端产生某种刺激，当这种刺激传递到下部的伸长区时，会造成背光面比向光面生长快，因而出现向光性弯曲。
20.詹森通过实验证明胚芽鞘尖端产生的刺激可以通过琼脂片传递给下部。
21.拜尔在暗处进行的实验证明胚芽鞘的曲生长，是尖端产生的影响在其下部分布不均匀造成的。
22.温特将经过燕麦尖端处理过的琼脂块放在切去尖端的胚芽鞘一侧，证明造成胚芽鞘弯曲生长的是一种化学物质，并把这种物质命名为生长素。
例题练习
1.细胞学说是19世纪自然科学史上的一座丰碑，下列相关结论和推断正确的是( )
A.解剖学家维萨里指出相似的细胞构成组织，进而构成器官等其他生命层次
B.细胞学说揭示了植物和动物两大有机界最本质的联系
C.魏尔肖总结的“新细胞是由老细胞分裂产生的”，至今仍未被推翻
D.施莱登和施旺都应用了完全归纳法提出细胞学说
答案：B
解析：维萨里通过解剖研究器官，并不知道更小的细胞结构，A错误；细胞学说揭示了植物和动物两大有机界最本质的联系，B正确；受精卵不是由老细胞分裂产生的，C错误；细胞学说的提出用了不完全归纳法，D错误。
2.下列有关科学史分析和教材实验的叙述，错误的是( )
A.“观察植物细胞的质壁分离及复原”实验遵循对照原则，滴加蔗糖溶液组为实验组，滴加清水组为对照组
B.在探究细胞核功能时，把蝾螈受精卵横缢为有核、无核两半进行对照实验，有核部分为对照组
C.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中设置有氧组和无氧组进行对比实验，根据溴麝香草酚蓝水溶液变成黄色的时间长短，检测CO2的产生情况
D.“模拟探究细胞大小与物质运输的关系”实验中设置边长不同的琼脂块进行对比实验，每组NaOH在琼脂块的扩散速率相同
答案：A
解析：“观察植物细胞的质壁分离及复原”实验遵循对照原则，设置了一组实验进行自身前后对照，A错误；在探究细胞核功能时，把蝾螈受精卵横缢为有核、无核两半进行对照实验，有核部分为对照组，无核部分为实验组，B正确；“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中设置有氧组和无氧组进行对比实验，根据溴麝香草酚蓝水溶液变成黄色的时间长短，检测两组酵母菌培养中CO2的产生情况，C正确；“模拟探究细胞大小与物质运输的关系”实验中设置边长不同的琼脂块进行对比实验，每组NaOH在琼脂块的扩散速率相同，扩散进琼脂块的深度相同，而扩散的效率（NaOH扩散体积/琼脂块总体积）不同，D正确。
典例2
将生理状态相同、大小相似的多只家兔均分为甲、乙两组，两组家兔分别注射一定浓度的胰岛素溶液和肾上腺素溶液，一段时间后检测发现甲组家兔血糖浓度下降，乙组家兔血糖浓度升高。下列分析错误的是( )
A.因缺少对照，该实验不能得出血糖浓度受激素影响的结论
B.实验开始前，应分别测量甲、乙两组家兔的初始血糖浓度
C.实验过程中，甲组家兔可能会出现行动迟缓甚至昏迷等症状
D.肾上腺素可能具有促进肝糖原分解，升高血糖的功能
答案：A
解析：本题以实验设计流程及实验结果为情境，考查考生的识记和理解能力，考查的生物学科核心素养为科学探究。甲、乙两组的实验结果能得出血糖浓度受激素影响的结论，实验开始前，应分别测量甲、乙两组家兔的初始血糖浓度，A错误，B正确；甲组家兔注射一定浓度的胰岛素溶液，可能会导致家兔血糖浓度过低，从而出现行动迟缓甚至昏迷等低血糖症状，C正确；肾上腺素具有升高血糖的功能，其作用机理可能是促进肝糖原分解，D正确。
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实验原则
一、对照原则
对照实验是指除所控制因素不同外，其他条件完全相同的实验。科学地设置对照实验，能够有效地排除其他因素干扰实验结果的可能性。设置对照组有4种方法：
类型 设置对照实验 实例
空白对照 对照组不做任何处理 验证甲状腺激素的作用，对照组动物不做任何处理，让其自然生长
自身对照 实验组和对照组都在同一个实验对象上进行 植物细胞质壁分离和复原实验，在同一个装片中先后进行，对照组（正常的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞）和实验组（发生质壁分离和复原的细胞）是同一组细胞
条件对照 给实验对象施以某种处理，但这种处理不是实验假设所给定的实验变量，这种对照方法，通过得出两种相对立的结论，以验证实验结论的正确性 在验证激素作用的实验中，甲组为实验组（饲喂甲状腺激素），乙组为条件对照组（饲喂甲状腺激素抑制剂），不饲喂药剂的是空白对照组
相互对照 不单独设置对照组，而是几个实验组相互对照 在探究细胞的遗传物质时，分别用35S和32P标记噬菌体
二、单一变量原则和等量原则
即除自变量以外，应使实验组和对照组的无关变量保持相同且适宜。如探究光照强度对光合速率影响，唯一变量是光照强度，无关变量CO2、温度等要保持适宜且一致。
三、平行重复原则
在实验设计中为了避免实验结果的偶然性，减小实验误差，必须对所做实验进行足够次数的重复，以获得多次实验结果的平均值，保证实验结果的准确性。如探究培养液中酵母菌数量动态变化的实验中，每次计数都要重复至少3次。
四、科学性原则
在设计实验时必须有充分的科学依据，即实验目的要明确，实验原理要正确，实验研究的材料和实验方法的选择要恰当，整个实验设计的思路和实验方法的确定都不能偏离实验原理、有关的生物学知识及其他学科领域的基本知识。
（1）选材科学性：如鉴定还原糖的实验中不能以西瓜汁为实验材料，因为西瓜汁的红色会干扰颜色反应。
（2）实验方法科学性：如使用双缩脲试剂时应先加入A液，再加入B液。
注：实验设计时还有其他原则，如可行性原则，即从实验目的、实验原理到实验材料用品的选择、实验操作等，都要符合实验者的一般认知水平，满足现有的条件，具有进行实验和完成实验的可能性；简便性原则，即实验材料容易获得，实验装置简化，操作简便，效果明显并能在较短时间内完成等。
例题练习
1.生物实验小组的同学将某动物的提取液注射到正常小鼠体内，下列关于该小鼠的分析不正确的是( )
A.若小鼠出现糖尿，则是注射的提取液中可能含抗利尿激素所致
B.若小鼠排卵增多，则注射的提取液可能来自垂体
C.若小鼠出现呼吸加快、心率加快、反应灵敏等症状，则注射的提取液中可能含肾上腺素
D.若小鼠出现活动减少、嗜睡，甚至昏迷等症状，则注射的提取液中可能含胰岛素
答案：A
解析：若小鼠出现糖尿，即出现了高血糖症状，则注射的提取液中含有升高血糖的激素，可能是胰高血糖素，抗利尿激素的作用是促进肾小管和集合管对水的重吸收，A错误；垂体分泌的促性腺激素能促进排卵，所以若小鼠排卵增多，则注射的提取液可能来自垂体，B正确；肾上腺素能使小鼠呼吸加快、心跳与血液流动加速等，所以若小鼠出现呼吸加快、心率加速、反应灵敏等症状，则注射的提取液中可能含肾上腺素，C正确；胰岛素能降低血糖浓度，所以若小鼠出现活动减少、嗜睡，甚至昏迷等低血糖症状，则注射的提取液中可能含胰岛素，D正确。
2.丙酮酸进入线粒体被彻底氧化分解需要经过系列脱氢过程，其中间产物琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的氢可将蓝色的甲烯蓝（一种指示剂）还原成无色的甲烯白。丙二酸和琥珀酸分子结构相似，可以竞争性与琥珀酸脱氢酶结合，但不会脱氢，试设计实验方案，探究丙二酸对琥珀酸脱氢反应是否有抑制作用。下列叙述不合理的是( )
A.实验假设：丙二酸对琥珀酸脱氢反应有抑制作用
B.实验取材：大白鼠心肌细胞含有较多的线粒体，可从其研磨液中提取琥珀酸脱氢酶
C.实验分组：对照组加琥珀酸、实验组加丙二酸，两组都加入甲烯蓝和琥珀酸脱氢酶
D.观察指标：蓝色的甲烯蓝还原成无色的甲烯白时间的长短
答案：C
解析：A、根据试题分析，本实验假设可以是：丙二酸对琥珀酸脱氢反应有抑制作用，A正确；B、实验取材：线粒体中的琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢，要获取琥珀酸脱氢酶，可以从大白鼠心肌细胞研磨液中提取琥珀酸脱氢酶，B正确；C、实验分组：实验的自变量是有无丙二酸，对照组加琥珀酸、甲烯蓝和琥珀酸脱氢酶；实验组加琥珀酸、丙二酸，甲烯蓝和琥珀酸脱氢酶，C错误；D、本实验的观测指标可以是：蓝色的甲烯蓝还原成无色的甲烯白时间的长短，D正确。
典例3
某同学欲制作DNA双螺旋结构模型，已准备了足够的相关材料，下列叙述正确的是( )
A.在制作脱氧核苷酸时，需在磷酸上连接脱氧核糖和碱基
B.制作模型时，鸟嘌呤与胞嘧啶之间用2个氢键连接物相连
C.制成的模型中，腺嘌呤与胞嘧啶之和等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和
D.制成的模型中，磷酸和脱氧核糖交替连接位于主链的内侧
答案：C
解析：本题考查DNA分子结构的有关知识。脱氧核糖上连接磷酸和碱基，碱基不与磷酸相连，A项错误；鸟嘌呤与胞嘧啶之间靠3个氢键连接，B项错误；在双链DNA分子中，腺嘌呤和胸腺嘧啶数量相等，胞嘧啶和鸟嘌呤数量相等，因此腺嘌呤与胞嘧啶之和等于鸟嘌呤和胸腺嘧啶之和，C项正确；磷酸和脱氧核糖交替连接位于主链的外侧，作为主链的基本骨架，D项错误。
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科学研究方法
一、假说—演绎法
（1）孟德尔遗传定律的发现过程。
（2）基因与染色体的关系的探究历程
从萨顿提出“基因在染色体上的假说”到摩尔根通过实验验证这个假说，整个过程体现了“假说—演绎”的应用。同时，从摩尔根发现果蝇中出现一只白眼雄蝇到提出“控制白眼性状的基因位于X染色体上”到最后通过实验证明，也是“假说—演绎”的经典应用。
（3）DNA复制方式的提出与证实。
二、建立模型法
（1）由于种种原因，直接用研究对象进行研究非常困难或者不可能，可以用建立模型的方法进行研究。
建立模型时，人们常对认识对象进行简化的概括性描述。经过分析，从复杂的生物学问题中提取主要因素，忽略次要因素，用形象化的手段描述主要因素间的关系。
模型包括物理模型、概念模型、数学模型等。模型一方面需要被检验，另一方面可以对未来做出预测。
（2）通过建立模型的方法进行研究的实例
①细胞膜结构和功能的研究——流动镶嵌模型
②研究细胞大小与细胞物质交换效率的关系模型
③沃森、克里克建立DNA双螺旋结构模型
④种群J型增长和S型增长数学模型
三、同位素标记法
常用的示踪元素：如3H、14C、15N、18O、32P、35S（蛋白质的特征元素）等。同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。用同位素标记的化合物，化学性质不会改变。科学家通过追踪同位素标记的化合物，可用弄清化学反应的详细过程。这种方法叫做同位素标记法。
此方法用于：（1）探究分泌蛋白的合成和运输途径：核糖体、内质网、高尔基体、细胞膜。（2）证明光合作用释放的氧气来自水。（3）噬菌体侵染细菌的实验。（4）DNA半保留复制实验。
四、类比推理法
这是科学研究中常用的方法之一。类比推理是根据两个或两类对象有部分属性相同从而推出它们的其他属性也相同的推理。简称类推、类比。它是以关于两个事物某些属性相同的判断为前提，推出两个事物的其他属性相同的结论的推理。例如：萨顿的推理是类比推理。他将看见的基因与看不见的染色体的行为进行类比，根据其惊人的一致性，提出基因位于染色体上的假说。应当注意的是，类比推理得出的结论并不具有逻辑的必然性，其正确与否，还需要观察和实验的检验。
五、荧光标记法
（1）在生物学中，和同位素标记法类似的另一种方法。
（2）教材应用
①细胞融合实验：这一实验很有力地证明了细胞膜的结构特点是具有一定流动性。
②基因在染色体上的实验证据：运用荧光标记的手段，可以很直观地观察到某一基因在染色体上的位置。
六、离心法
（1）常用离心法：差速离心法、密度梯度离心。
（2）实例：分离细胞器、探究DNA复制方式、噬菌体侵染细菌的实验等。
七、纸层析法：分离色素。
八、控制变量
实验过程中可以变化的因素称为变量。其中认为改变的变量称为自变量：随着自变量的变化而变化的变量称做因变量。除自变量外，实验过程中可能还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响，这些变量称为无关变量。
除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。上述实验中只有反应条件是改变的，其余因素（如反应物的性质和浓度）都没有变化。对照实验一般要设置对照组和实验组。在对照实验中，出来要观察的变量外，其他变量都应当始终保持相同。
例题练习
1.假说一演绎法是现代科学研究中常用的方法，利用该方法孟德尔发现了两个遗传规律。下列有关分析正确的是( )
A.孟德尔所作假设的核心内容是“性状是由位于染色体上的基因控制的”
B.孟德尔发现的遗传规律可以解释所有有性生殖生物的核遗传现象
C.孟德尔在发现基因分离定律时的“演绎”过程：若F1产生配子时成对的遗传因子分离，则F2中三种基因型个体的数量比接近1:2:1
D.提出问题是建立在豌豆纯合亲本杂交和F1自交遗传实验基础上的
答案：D
解析：孟德尔未提出“基因”这一概念，A错；孟德尔的遗传规律不能解释连锁互换定律，B错；孟德尔在发现基因分离定律时的“演绎”过程是:若F1产生配子时成对遗传因子分离，则测交后代会出现两种性状，分离比接近1:1，C错。故选D。
2.进行“噬菌体侵染细菌”实验时，分别用放射性同位素32P和35S标记的T2噬菌体去侵染未经标记的细菌。若亲代噬菌体的遗传物质在细菌体内复制了3次，并全部组装形成子代噬菌体。下列有关该实验的叙述中，正确的是( )
A.分别用含32P和35S的牛肉膏蛋白胨培养基培养噬菌体以标记噬菌体
B.含有32P、35S的子代噬菌体分别占子代噬菌体总数的1/4和0
C.T2噬菌体遗传信息传递的方向是RNA→DNA→RNA→蛋白质
D.该实验证明了DNA是主要的遗传物质
答案：B
解析：本题考查噬菌体侵染细菌实验、DNA的复制、遗传信息的传递方向等知识。噬菌体属于病毒，没有细胞结构，噬菌体必须寄生在活细胞内才能进行生命活动，不能用牛肉膏蛋白胨培养基去培养噬菌体，A错误；T2噬菌体侵染未经标记的细菌时，噬菌体的DNA进入细菌体内，而蛋白质留在外面，子代噬菌体是以亲代噬菌体的DNA为模板，以细菌的脱氧核苷酸和氨基酸为原料合成的，均不含有35S，亲代噬菌体的遗传物质进行半保留复制，复制3次，共得到23=8个子代DNA，其中2个DNA分子含有32P，故含有32P的子代噬菌体占子代噬菌体总数的2/8=1/4，B正确；T2噬菌体的遗传物质为DNA，其遗传信息传递的方向是DNA→RNA→蛋白质， C错误；该实验证明了DNA是遗传物质，D错误。
典例4
用质量分数为2%的秋水仙素处理植物分生组织5~6h，能够诱导细胞内染色体加倍。某生物小组为了探究用一定时间的低温（如4℃）处理水培的洋葱根尖是否也能诱导细胞内染色体加倍进行了相关实验设计。下列关于该实验的叙述，错误的是( )
A.本实验的假设是用一定时间的低温处理水培的洋葱根尖能够诱导细胞内染色体加倍
B.本实验可以在显微镜下观察和比较经过不同处理后根尖细胞内的染色体数目
C.本实验需要制作根尖细胞的临时装片，制作步骤是解离→漂洗→染色→制片
D.本实验可以看到一个细胞完整的染色体数目加倍的过程
答案：D
解析：结合教材中的相关知识(秋水仙素和低温均可诱导染色体数目加倍)可以提出本实验的假设。本实验与观察根尖细胞有丝分裂的实验有类似之处，即都需要制作临时装片且方法相同。从题干中可以看出，本实验属于探究性实验，实验假设可以是A项中的叙述，也可以是低温处理不能诱导细胞中染色体数目加倍，A项正确。本实验的因变量是细胞内染色体的数目，染色体的数目变化属于染色体变异，染色体变异是可以在显微镜下观察到的，B项正确。本实验中制作临时装片的步骤是：解离→漂洗→染色→制片，C项正确。由于在解离过程中已经将细胞杀死，所以用显微镜观察时看不到一个细胞完整的染色体数目加倍的过程，只能看到染色体的数目，D项错误。
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实验设计与分析
一、理清实验设计的思路
二、准确描述实验操作步骤的“四步曲”
三、“五看法”评价实验设计
例题练习
1.下列实验中，生物材料选择及装片制作步骤均合理的是( )
序号 实验内容 生物材料 装片制作步骤
① 脂肪的鉴定 花生子叶 切片→染色→去浮色→盖盖玻片
② 观察植物细胞质壁分离 洋葱根尖 滴清水→加根尖→盖盖玻片→压片
③ 观察细胞有丝分裂 黑藻叶片 解离→漂洗→染色→压片
④ 培养液中种群数量变化 酵母菌 滴培养液于计数室→盖盖玻片
A.实验① B.实验② C.实验③ D.实验④
答案：A
解析：脂肪的鉴定实验中，装片制作步骤为切片、染色、去浮色、盖盖玻片；观察植物细胞质壁分离实验应该选择紫色洋葱鳞片叶作为实验材料，不能选择根尖；观察细胞有丝分裂实验中不能选择黑藻叶片，因为黑藻叶片细胞已经高度分化，不再分裂；探究培养液中酵母菌种群数量变化实验中，应该先盖盖玻片，再滴培养液。
2.实验流程的正确与否，关系到实验目的是否能够达成，下列有关实验流程的描述，正确的是( )
A.在鉴定待测样液中的蛋白质时，需将NaOH和CuSO4溶液等量混合再加入组织样液中
B.探究温度对酶活性的影响时，应将酶与底物混合后在不同温度下分别保温
C.低温诱导染色体加倍实验中，将大蒜根尖制成装片后再进行低温处理
D.洋葱根尖解离后需经漂洗步骤，洗去解离液后才能用龙胆紫溶液染色
答案：D
解析：在鉴定待测样液中的蛋白质时，需先加NaOH溶液形成碱性环境，后加CuSO4溶液，A错误；探究温度对酶活性的影响时，应将酶与底物在不同温度下分别保温后再混合，B错误；低温诱导染色体加倍实验中，将大蒜根尖低温处理后再制成装片，C错误；洋葱根尖解离后需经漂洗步骤，洗去解离液后才能用龙胆紫溶液染色，D正确。

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